如图所示,水平面上有一质量m=3kg的小车,其右端固定一水平轻质弹簧,弹簧左端连接一质量m0=2kg的小物块,小物块与小车一起以v0=4m/s的速度向右运动,与静止在水平面上质量M=1kg的小球发生弹性碰撞,碰撞时间极短,弹簧始终在弹性限度内,忽略一切摩擦阻力。求:(2)从碰后瞬间到弹簧被压缩至最短的过程中,弹簧弹力对小物块的冲量;(3)若从碰后瞬间到弹簧被压缩至最短用时2s,试写出小车在这2s内的位移x与弹簧最大形变量L的关系式。(1)问考查几乎变成常规问题的弹性碰撞,小车和小球组成的系统动量守恒。但这个弹性碰撞是近似的,碰撞过程中小物块速度不受影响。之所以还认为小车和小球组成的系统动量守恒,全依赖于题干中“碰撞时间极短”这句关键描述。学习动量近似守恒时,有的学生很不理解为啥近似守恒,系统所受外力虽小,但对系统的总动量还是有影响,内力即使很大,对系统的动量没半点影响,但为什么还要用近似动量守恒这个规律来解决问题呢?理由是这样的:我们运用动量守恒定律解决问题时,实际最终想知道的不是系统的动量,而是系统中某一个体的动量,当内力远大于外力时,对于个体来说,动量发生变化的主要原因是内力的冲量,外力远小于内力的情况下,外力的冲量就可以忽略不计,因此动量守恒定律虽然严格来说不成立,但认为近似成立有利于解决问题。(2)问,小车和小球碰撞后,小物块通过弹簧和小车相互作用,两物体组成的系统动量守恒,从开始挤压弹簧到弹簧最短的这个过程,可以认为是完全非弹性碰撞。这个问题中需要注意对问题的回答,题干中问的是冲量,所以必须用文字明确地回答出冲量的大小和方向。要是对弹性碰撞的受力、加速度、速度、能量转化情况认真分析过得话,就会发现:弹性碰撞过程中的第一阶段,从开始到两物体速度相同的这个阶段,就是完全非弹性的过程,只不过速度相同之后,弹性势能会再次转化为动能,直到完全转化为动能。全程弹性碰撞中的半程是完全非弹性碰撞。(3)问终于有点意思了。弹簧发生形变与时间建立起了关系。从小物块与弹簧开始作用到弹簧形变量最大,系统动量守恒,小物块和小车通过弹簧有了关联。粗看这个模型,给人感觉是有弹簧牵扯的板块模型,可是一句“忽略所有摩擦”,这个认识就会发生质变,实质就变成了一个弹簧牵连两个物块的模型,而且这个系统的动量守恒,小物块和车之间的速度有关联,从小物块压缩弹簧开始到弹簧压缩到最短,弹簧的最大压缩量就是这个过程中小物块相对小车的位移。小物块和小车之间的速度有联系,则两物体之间的位移亦有联系,整个过程的相对位移已知。逻辑上来说这个问题可以解决了,但压缩弹簧过程中,两物体的速度既不是匀速,也不是可以定量计算的匀变速,所以对于两者的位移关系,考虑微元大法。解完之后会发现,这个最后一问是2022年全国乙卷25题第二问的高仿版。谈谈通过这个题对模型的认识:板块、传送带、弹簧、连接体被尊称为四大恶人,对于本题,看上去像板块,但还有弹簧,好像还有点连接体的味道,小物块和小车通过弹簧链接在了一起。照搬模型,感觉就没法下手了,啥也像,啥也不全像,十足的四不像。所以对于具体的问题,要灵活运用物理规律,模型可以变,但考查的规律是不变的。动力学问题,受力分析这个基本功要扎实,牛顿运动定律、功能关系、动量,解决力学问题这三大规律要熟悉了,不拘泥于模型,分析题意,选好规律才是真正的解决问题之道。
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